Ultrasonidos en ensayos de materiales
Hasta ahora hemos estudiado las propiedades básicas del sonido y también las del sonido audible. En el caso de los ultrasonidos, los procesos físicos son los mismos que los del sonido audible, pero las oscilaciones son tan rápidas que el oído humano no puede captarlas. Mientras que el umbral de audición es de aproximadamente 0,02 MHz, los ensayos ultrasónicos utilizan frecuencias comprendidas entre 0,5 y 20 MHz (1 MHz = 100.000 oscilaciones por segundo). Esta propiedad de los ultrasonidos, es decir, que no pueden ser vistos, oídos o reconocidos de otro modo por el ser humano, no simplifica la comprensión de sus efectos, pero tiene la ventaja de que, durante las pruebas, la intensidad del sonido puede seleccionarse a un nivel tan alto que sería insoportable si se encontrara dentro del umbral de audición del ser humano. Ahora es el momento de describir las oscilaciones ultrasónicas con más detalle. Cualquier medio sólido, líquido o gaseoso puede oscilar. Si las oscilaciones se producen tan rápidamente que se sitúan por encima del límite del umbral de audición, se habla de ultrasonidos. En realidad, son las pequeñas partículas del medio (imagine que están interconectadas elásticamente) las que oscilan. El tipo de oscilación viene determinado por las propiedades elásticas del medio y por el impulso que provoca la oscilación del medio. La onda sonora se propaga en el medio a una velocidad de sonido c. Se puede describir la oscilación acústica como un movimiento de las partículas de un material, por ejemplo, con una desviación parcial = f (z, t)en función de la posición y el tiempo, o una variación de la presión acústica p = f (z, t) en función de la posición y el tiempo. Cuando hablamos de la presión acústica en los ensayos de materiales, nos referimos a la presión acústica que alterna con las oscilaciones. La presión acústica es tan importante porque el potencial eléctrico que se genera por una placa piezoeléctrica U = f (z, t) es directamente proporcional a la presión acústica de la onda sonora y viceversa. En la figura 14 se muestra la propagación del sonido en cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos. Las partículas oscilan en la dirección de propagación de la onda. Estas oscilaciones se denominan ondas longitudinales. Si las partículas están bien empaquetadas, la desviación será menor y, por tanto, la velocidad de las partículas y la presión acústica serán mayores. Si en el medio pueden transmitirse fuerzas de cizallamiento (lo que ocurre sobre todo en los sólidos), las partículas también pueden vibrar transversalmente a la dirección de propagación de la onda, por lo que se conocen como ondas transversales (figura 15). Sin embargo, estos casos ideales solo pueden darse en medios infinitos. Si, durante un ensayo, se produce reflexión en los límites exteriores de la muestra, por ejemplo, en placas, varillas, etc., se desarrollan complicadas formaciones de ondas mixtas: ondas en la placa, ondas en la varilla (fig. 16) y ondas superficiales. Las ecuaciones que se aplican a las ondas longitudinales y transversales puras no se les aplican. Todos estos tipos de ondas pueden estar presentes al mismo tiempo en la muestra y dificultan mucho la interpretación de las indicaciones. Los parámetros más importantes de la física de los ultrasonidos para el ensayo de materiales son los siguientes:
Existen las siguientes relaciones entre los distintos parámetros:
La presión acústica es proporcional a la impedancia acústica Z, la frecuencia f y la desviación de partículas e.
La densidad de potencia acústica J (intensidad) es directamente proporcional a la impedancia acústica Z y al cuadrado de la frecuencia f y de la desviación de la partícula. Existen las siguientes relaciones entre la velocidad del sonido y las propiedades elásticas:
